11. September 2015

Bau­stof­fe für den Mond und "Oben" und "Un­ten" in der Schwe­re­lo­sig­keit

Der A310 ZE­RO-G im Flug
Bild 1/5, Credit: DLR/ESA/CNES/Novespace.

Der A310 ZERO-G im Flug

Am 11. Sep­tem­ber 2015 ging die ers­te rei­ne DLR-Pa­ra­bel­flug­kam­pa­gne mit dem neu­en Spe­zi­al­flug­zeug der fran­zö­si­schen Fir­ma No­ves­pace er­folg­reich zu En­de.
Blut­druck mes­sen im Pa­ra­bel­flug
Bild 2/5, Credit: Novespace.

Blutdruck messen im Parabelflug

Mit­hil­fe ei­nes spe­zi­el­len Blut­druck­ge­rä­tes ha­ben Me­di­zi­ner des Uni­ver­si­täts­kli­ni­kums Bo­chum bei der 27. DLR-Pa­ra­bel­flug­kam­pa­gne an Pro­ban­den un­ter­sucht, wie sich der zen­tra­le Aor­ten­druck in Schwe­re­lo­sig­keit ver­hält, um die­sen mit den Ver­än­de­run­gen des so ge­nann­ten pe­ri­phe­ren Blut­drucks zu ver­glei­chen. Ein dau­er­haft ge­stei­ger­ter zen­tra­ler Aor­ten­druck geht mit ei­nem hö­he­ren Schlag­an­fall­ri­si­ko ein­her - dies gilt auch für Astro­nau­ten. Ei­ne Über­wa­chung des zen­tra­len Aor­ten­drucks dient des­halb der Ge­sund­heit der Astro­nau­ten. Blut­hoch­druck (ar­te­ri­el­le Hy­per­to­nie) gilt als wich­tigs­ter Ri­si­ko­fak­tor für Schlag­an­fäl­le und Herz­in­fark­te. In der Ver­gan­gen­heit wur­de die­ser am pe­ri­phe­ren Blut­druck, das heißt dem am Arm ge­mes­se­nen Blut­druck fest­ge­macht. In den letz­ten Jah­ren konn­te je­doch ge­zeigt wer­den, dass für die Ent­ste­hung von Schlag­an­fäl­len der Blut­druck in der Haupt­schlag­ader (Aor­ta) re­le­van­ter ist als der pe­ri­phe­re Blut­druck.
Kom­ple­xe Plas­men für die ISS
Bild 3/5, Credit: Novespace.

Komplexe Plasmen für die ISS

Die For­schungs­grup­pe Kom­ple­xe Plas­men im DLR ent­wi­ckelt ei­ne neue Plas­ma­kam­mer, die 2019 zur In­ter­na­tio­na­len Raum­sta­ti­on ISS star­ten soll. Auf der ISS wird seit 2001 mit ver­schie­de­nen Ex­pe­ri­men­t­auf­bau­ten an kom­ple­xen Plas­men ge­forscht. Bei der 27. DLR-Pa­ra­bel­flug­kam­pa­gne ha­ben Chris­ti­na Knapek (Mit­te) und ih­re Kol­le­gen die "Zyflex"-Kam­mer (ab­ge­lei­tet von den Wor­ten "zy­lin­drisch" und "fle­xi­bel") ge­tes­tet. Sie hat ei­ne an­pass­ba­re Geo­me­trie und er­laubt so­mit ver­schie­de­ne Ex­pe­ri­ment­s­ze­na­ri­en. Beim Pa­ra­bel­flug spie­len so­wohl tech­ni­sche Tests als auch die Un­ter­su­chung di­ver­ser wis­sen­schaft­li­cher Fra­ge­stel­lun­gen ei­ne Rol­le.
"Oben" und "un­ten" in der Schwe­re­lo­sig­keit
Bild 4/5, Credit: Novespace.

"Oben" und "unten" in der Schwerelosigkeit

Für ziel­ge­rich­te­tes Han­deln müs­sen wir wis­sen, wo sich Ge­gen­stän­de re­la­tiv zu­ein­an­der und zu un­se­rem Kör­per be­fin­den. Auf der Er­de wer­den sol­che Zu­sam­men­hän­ge mit Hil­fe der Schwer­kraf­trich­tung er­mit­telt. Wenn wir et­wa das Licht aus­schal­ten, müs­sen wir da­für ei­nen Schal­ter nach "un­ten" be­we­gen. Wenn aber ein Astro­naut ei­nen Pro­zess stop­pen möch­te, in­dem er ei­nen Kipp­schal­ter nach un­ten um­legt, ist "un­ten" in Schwe­re­lo­sig­keit nicht so in­tui­tiv er­fass­bar wie auf der Er­de. Bei der 27. DLR-Pa­ra­bel­flug­kam­pa­gne ha­ben Mi­cha­el Ka­li­zin­ski (Mit­te) und sei­ne Kol­le­gen von der Deut­schen Sport­hoch­schu­le Köln un­ter­sucht, in­wie­weit sich die ver­än­der­te räum­li­che Ori­en­tie­rung in Schwe­re­lo­sig­keit auf die Durch­füh­rung von Be­we­gun­gen aus­wirkt.
Ze­ment - ein ge­eig­ne­ter Bau­stoff für den Mond?
Bild 5/5, Credit: Novespace.

Zement - ein geeigneter Baustoff für den Mond?

Ein Dorf auf dem Mond? Mit dem rich­ti­gen Bau­stoff denk­bar: Des­halb möch­te Prof. Jo­hann Plank (links), In­ha­ber des Lehr­stuhls für Bau­che­mie der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen, mit­hil­fe der DLR-Pa­ra­bel­flü­ge her­aus­fin­den, wie sich Schwe­re­lo­sig­keit auf die ers­ten Se­kun­den der Ze­ment-Hy­dra­ti­on aus­wirkt. Ze­ment ist mit ei­nem Pro­duk­ti­ons­vo­lu­men von 3,7 Mrd. Ton­nen (2012) ei­nes der wich­tigs­ten In­dus­trie­pro­duk­te welt­weit. Ziel der Pa­ra­bel­flug­for­schung ist es auch, ein bes­se­res Ver­ständ­nis für die sehr kom­ple­xen Auf­lö­sungs- und Kris­tal­li­sa­ti­ons­pro­zes­se bei der Hy­dra­ta­ti­on des Ze­ments zu er­hal­ten.

Die 27. DLR-Parabelflugkampagne ist mit 14 Experimenten und 110 Wissenschaftlern erfolgreich zu Ende gegangen

Seit dem 5. Mai 2015 ist - als Nachfolger des A300 ZERO-G - der neue Airbus A310 ZERO-G als europaweit einziges Parabelflugzeug für schwerelose Forschung im Einsatz. Am 11. September ging um 12.25 Uhr mit einer sanften Landung auf dem Flughafen Bordeaux-Mérignac die erste reine DLR-Parabelflugkampagne mit dem neuen Spezialflugzeug der französischen Firma Novespace erfolgreich zu Ende. Im Mai 2015 hatte bereits eine zusammen mit den Raumfahrtagenturen ESA und CNES stattgefunden.

"Insgesamt ist diese 27. DLR-Parabelflugkampagne sehr gut verlaufen: Wir blicken auf vier Flugtage mit 124 Parabeln und 45 Minuten Schwerelosigkeit zurück. 110 Wissenschaftler von 14 deutschen Hochschulen und Forschungseinrichtungen haben die jeweils 22 Sekunden Schwerelosigkeit pro Parabel bei 31 Parabeln pro Flugtag gut nutzen können, um die unterschiedlichsten Phänomene und wissenschaftlichen Fragen zu untersuchen - und zwar ohne die auf der Erde überall präsente Schwerkraft ", berichtet Dr. Ulrike Friedrich, Programmleiterin der DLR-Parabelflüge.

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Video Parabelflüge mit dem A310 ZERO-G
Seit dem 5. Mai 2015 ist - als Nachfolger des A300 ZERO-G - der neue Airbus A310 ZERO-G als europaweit einziges Parabelflugzeug für schwerelose Forschung im Einsatz. Am 11. September ging um 12.25 Uhr mit einer sanften Landung auf dem Flughafen Bordeaux-Mérignac die erste reine...
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Dow­n­load "Pa­ra­bel­flü­ge mit dem A310 ZE­RO-G" (MP4 Vi­deo, 520 MB)

Weil der A310 ZERO-G im südfranzösischen Bordeaux-Mérignac stationiert ist, finden hier auch die DLR-Parabelflugkampagnen statt. "In der Vorbereitungswoche vom 31. August bis zum 4. September sind die Teams angereist, haben ihre Experimente aufgebaut und zusammen mit den Ingenieuren von Novespace die einzelnen Experimentaufbauten ins Flugzeug transportiert. Die Geräte werden noch einmal intensiv auf Sicherheit geprüft und schließlich die Flugerlaubnis erteilt. Die zweite Kampagnenwoche ist dann für den Parabelflug selbst vorgesehen - dieses Mal hatten wir sogar vier statt der üblichen drei Flugtage und waren vom 6. bis 11. September täglich rund drei bis vier Stunden in der Luft, weil so viele wissenschaftliche Experimente durchgeführt werden mussten", sagt DLR-Managerin Ulrike Friedrich.

Der Airbus A310 ZERO-G hat 40 Sitzplätze für Passagiere und eine rund 100 Quadratmeter große mit weißen Kunstledermatten ausgelegte Freifläche zum Experimentieren in Schwerelosigkeit. Weiße Netze trennen diesen Bereich von der übrigen Kabine ab, Schienen im Boden dienen der Befestigung der Experimente. Die Wissenschaftler können sich bei Bedarf mit Bändern am Boden festschnallen, damit sie nicht in den Schwerelosigkeitsphasen unkontrolliert herumschweben und sich selbst, andere oder die Experimentaufbauten gefährden. Die Forscher können ihre physikalischen, biologischen, materialwissenschaftlichen oder medizinischen Experimente eigenhändig durchführen und werden - bei den humanphysiologischen Experimenten - auch als Testpersonen untersucht. "Eine Spritze gegen Reiseübelkeit führt dazu, dass von 40 Wissenschaftlern im Schnitt zwei Personen übel wird, dies wird auch von Tag zu Tag weniger, da ein gewisser Gewöhnungseffekt an die Schwerelosigkeit einsetzt", sagt Ulrike Friedrich. Denn das Wichtigste ist, neben gut ge­flo­ge­nen Pa­ra­beln der Piloten, dass die Wissenschaftler effektiv arbeiten können. Bei 22 Sekunden Schwerelosigkeit pro Parabel zählt im wahrsten Sinne des Wortes jede Millisekunde.

"Wir sind sehr zufrieden", resümiert Prof. Johann Plank vom Lehrstuhl für Bauchemie an der Technischen Universität München. Plank und seine Mitarbeiter haben untersucht, wie sich Zement - als potenzieller Baustoff für eine Mondsiedlung - in Schwerelosigkeit verhält. Gibt man Wasser zum Zement, bildet sich das Mineral Ettringit. "Wir wollten dann wissen, wie dieses anorganische Salz in Schwerelosigkeit kristallisiert und haben festgestellt, dass es kleinere, aber dafür mehr Kristalle bildet als unter Schwerkraft und dass es keine Oberflächendefekte gibt. Diese Erkenntnis hilft uns auch, die Wirkung der heute vielfach eingesetzten Betonzusatzmittel besser zu verstehen."

Die Regulation des Herz-Kreislauf-Systems, der Atmung und des Stoffwechsels nach Veränderungen der Umgebungsbedingungen sind entscheidend für die kognitive und physische Leistungsfähigkeit von Menschen. Wissenschaftler der Deutschen Sporthochschule Köln haben die Effekte von Gravitationsveränderungen für Herz und Kreislauf untersucht: "Uns hat besonders interessiert, wie die Regulationsfähigkeit des Herz-Kreislauf-Systems in Verbindung mit der Atmung und der Versorgung des Organismus mit Sauerstoff, sowie der Abtransport von Kohlenstoffdioxyd, aussehen. Dies gilt in besonderem Maße bei Start und Landung in der Raumfahrt, wenn neben dem Wechsel zwischen 1 G und 0 G zusätzlich relativ hohe Beschleunigungen auftreten. Ähnliche Beschleunigungswechsel treten auch in der Luftfahrt bei Jetpiloten auf", berichtet Jessica Koschate, und ergänzt: "Wenn hohe G-Kräfte wirken, werden sogenannte Anti-G-Manöver, wie Anspannung der Beinmuskulatur und Pressatmung, angewendet. Diese Reize bewirken wiederum eine Reihe von Reizen des Herz-Kreislaufsystems, deren Folgen noch nicht eindeutig geklärt sind."

Mit "Wirbeln und Nichtlinearen Staubdichtewellen in staubigen Plasmen" haben sich Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität Kiel beschäftigt: "Plasmen - auch bezeichnet als der vierte Aggregatzustand der Materie - sind elektrisch leitfähig und können Licht aussenden, weshalb sie in Form von Energiesparlampen und in der Bildschirmtechnologie angewendet werden. Plasmen sind außerdem sehr verbreitet in industriellen Prozessen der Materialbearbeitung und -veredelung", erklärt Physiker Tim Bockwoldt. Als "staubiges Plasma" bezeichnet man ein Plasma, in dem sich nano- oder mikrometergroße Teilchen befinden. Diese Plasmen gibt es sowohl in industriellen Verfahren als auch in der Natur. So können zum Beispiel die Saturn-Ringe oder Teile der Erdatmosphäre als ein solches staubiges Plasma angesehen werden. "Was wir beim Parabelflug machen, ist echte Grundlagenforschung. Wir schauen uns an, wie sich die staubigen Plasmen ausdehnen und haben in den vier Flugtagen 124 Datensätze mit Videokameras und spezieller Software aufgezeichnet."

Der A310 ZERO-G kann übrigens auch beim Tag der Luft und Raumfahrt von DLR und ESA am 20. September 2015 in Köln besichtigt werden.

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  • Elisabeth Mittelbach
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